简支梁桥和拱桥组合铁路桥的关键设计参数分析

李志强　王小妹

摘 要：根据宁启线64 m简支梁、拱桥组合的情况，详述了这种桥梁的结构细节、关键设计要点和施工方案，并总结了该结构用于中等跨度铁路桥时，与其他类型的桥梁相比较的优、缺点。

关键词：铁路；简支梁和拱桥组合桥；参数分析；下承式桥梁

中图分类号：U441 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.009

1 简介

宁启线以62°的夹角穿过沪通线，最大跨度为64 m。宁启线区段的曲线半径为1 600 m。为了确保该区段纵向坡度不大于11.4‰，该桥最大净高为16.6 m。而沪通线的轨道高度为6 m，相应净空为8 m。因此，新建桥梁的厚度应<2.4 m。简支梁与拱桥组合桥作为一种新型桥梁结构，具有高度低、噪声低、投资少和节省用地等优点。

该桥总长为65.5 m，最大跨度为64 m，矢跨比为1∶5，拱高12.8 m，桥拱采用二次抛物线。梁采用预应力混凝土梁，主梁端座部桥面面宽5.7 m，高2.4 m，厚1.0 m，腹板厚1.5 m。主梁中部桥面宽6.3 m，高1.9 m，厚0.5 m，腹板厚0.9 m。梁在纵向方向上由12 15-7Φ5预应力钢筋张拉。拱肋由单肢充满混凝土的钢管构成。钢管直径为1.0 m。2个K型和1个H型支撑设置在两拱肋之间。单个支撑水槽拱形复合桥的概况（正面图、断面图、平面图和拱肋截面）如图1、图2、图3和图4所示。

2 最佳设计分析

2.1 所有计划采用的设计

采用64 m跨度的桥梁作为分析案例，本文比较了采用不同桥梁类型的3个方面的影响因素，分别是线性特点、技术要求和工程费用。

简支梁槽girder-arch组合桥的概述具有多种方案，具体如表1所示。

设计铁路桥时应遵循以下5点原则：①确保铁路运行正常，满足动态荷载的特性；②减少梁深度的同时，满足净空要求；③节约成本；④施工便捷；⑤较好的外形，与周边环境融洽。

简支梁和拱桥组合桥应满足的要求主要有高度较低、适用于小半径曲线、造型美观和具有经济性。

2.2 拱桥的关键设计细节

铁轨可以铺设在腹板的内侧或外侧。当铁轨铺设在腹板的内侧时，火车将具有更大的运行空间，视觉效果也会更佳，桥梁的主要悬索将焊接在拱肋上。

下承式桥梁的梁有工型、T型、箱型和U型等，各具特色。中小跨度桥梁采用工型梁；双线或中大跨度桥梁因需求较高的抗扭强度，一般采用箱梁。

此外，强度要求和外观要求均需要考虑。如图5所示，随着拱刚度比增加，挠跨比不断减少。当曲拱的刚度比超过22时，挠跨比稳定在1∶4 800. 恒载、活载和内力会随着拱的高度增加而增加。当梁高度过低时，轴向拉力和力矩会变得非常大，难以安装预应力钢筋。因此，有必要在考虑强度、刚度和经济性后，再决定梁的高度。

如图6所示，当等跨度桥梁的矢跨比分别为1∶4.5，1∶5，1∶5.5时，拱脚轴向力分别为22 039 kN、23 656 kN、25 259 kN，固定静负荷挠曲分别为15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。考虑到刚度、拱脚轴向力和其他设计分析，矢跨比为1∶5是合理的。

如图7所示，当拱圈截面为不同类型时，对应的刚度是不同的。固定静负荷作用于悬臂且并未发生变化时，梁的强度不会发生改变，但对拱圈的强度影响较大。因此，承压能力决定着拱圈设计。当跨度较小时，选择方钢管灌注混凝土作为拱圈；大跨度的桥梁应采用圆钢灌注混凝土作为拱圈材料。

相关设计参数包含拱圈矢跨比、拱轴系数、拱圈界面类型和断面高度。因此，合理选择参数可以确保结构安全，且具有适用性和经济性。

矢跨比值通常应在1∶7～1∶3之间。本次研究对比分析了矢跨比分别为1∶4.5，1∶5和1∶5.5，相应的拱圈高度分别是16 m、12.8 m和11.64 m。从表2中提供的信息可以看到，通过比较不同跨度与高度的比例，拱座的轴向力分别是22 039 kN、23 656 kN和25 259 kN。同时，桥的活载挠度分别是15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。推荐的方案为：矢跨比采用1∶5，跨度高度为12.8 m，同时，考虑了刚度和景观方面的要求。拱桥拱

轴的线性将直接影响拱圈内力和截面应力分布。此外，它与结构耐久性、经济性和安全密切相关。选择拱轴线的线性基本原理是使压力线与其保持相同状态，因此，选择静载压力线作为拱轴线，以减少弯矩。

通常情况下，拱轴线的选择应满足以下要求：减少界面弯矩，降低荷载作用下主桥压力变化性；在相同效果下，使施工更容易和方便；桥的几何线形应符合审美观。

甲板通过系杆拱将负荷传递给拱圈。由于垂直荷载均匀分布，合理的拱圈线性应为抛物线。在本次研究中，二次抛物线拱轴和两个不同的m值分别为1.127和1.167.

由此可见，活载作用下三个拱轴线之间的差异较小，为14.8～14.9 mm。其中，二次抛物线拱轴线的拱座弯矩最小为1 967 kN·m。由于拱座弯矩比较复杂，所以，所有荷载应尽可能地减小。因此，二次抛物线拱轴线是本案例的最佳选择。

当大跨度、双线或多线桥梁、槽梁、严重开放截面抗扭强度的能力具有明显的剪力滞后效应时，该方案并不是理想的选择。利用箱形断面主梁和跟踪床，并采取支持横梁可降低剪力滞效应。

3 结束语

简支梁槽梁拱桥组合桥梁的梁深度较低，适合限制纵向坡度等，这是低高度梁的一个新选择；槽梁与拱组合桥可优化设计和垂直边坡设计，减少征用土地面积和投资，具有巨大的经济效益和社会效益；槽梁可阻止噪声的传播，适用于市区或大型居住区。

参考文献

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作者简介：李志强（1988—），男，山西方山人，毕业于华东交通大学，助理工程师。王小妹（1989—），女，江西九江人，毕业于华东交通大学，助理工程师。

Abstract： According Ningxi to Qiyang 64 m simply supported beam， arch combination of circumstances， detailing the structural details of this bridge， the key design features and construction program， and summarizes the structure when used for medium span railway bridge， and other types of bridges compared to the advantages and disadvantages.

Key words： railroad； simply supported beam and arch composite bridge； parametric analysis； span bridge